JP4770530B2 - 容量式湿度センサ - Google Patents

Description

本発明は、容量式湿度センサに関するものである。

従来、周囲の湿度変化に応じて容量値が変化する検出部と、当該検出部に対する基準容量部とを備える容量式湿度センサが知られている（特許文献１参照）。

図８を用いて、容量式湿度センサの動作原理を説明する。図８は、特許文献１と同様の従来の容量式湿度センサの概略構成を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は検出部と基準容量部の相対湿度と静電容量の関係を示す図である。

図８（ａ）に示す容量式湿度センサ１００は、検出部と基準容量部を有している。検出部と基準容量部は、それぞれ、基板１１０上の同一平面において、櫛歯構造の一対の電極１３１ａ，１３１ｂおよび１３２ａ，１３２ｂ備えている。検出部の電極１３１ａ，１３１ｂ上には、湿度に応じて比誘電率の変化する感湿膜１５１が形成されているのに対し、基準容量部の電極１３２ａ，１３２ｂ上には、感湿膜が形成されていない。このため、図８（ｂ）に示すように、検出部の容量値Ｃｖが周囲の湿度に応じて変化するのに対し、基準容量部の容量値Ｃｒは湿度変化に対してほぼ一定である。

図８（ａ）に示すように、検出部と基準容量部が直列接続されている容量式湿度センサ１００では、湿度変化に伴う検出部の静電容量Ｃｖの変化を、基準容量部の静電容量Ｃｒと比較し、図中に示す電圧Ｖ_１２，Ｖ_２３の比の変動として読み取る。検出部と基準容量部が形成された基板１１０には、上記電圧Ｖ_１２，Ｖ_２３の比から相対湿度を演算する回路部（Ｃ−Ｖ変換回路等）が形成されており、これによって周囲の相対湿度が計測される。
特開２００２−２４３６９０公報

ところが、図８（ａ）に示す容量式湿度センサ１００においては、基準容量部に感湿膜を設けていないので、感湿膜のもつ温度特性（温度による吸放湿特性の違い）によりセンサ出力に生じる温度特性（感度の温度特性）を低減することができない。また、高温多湿な環境下に長時間放置した場合、基準容量部の電極１３２ａ，１３２ｂが劣化して、静電容量Ｃｒが変動することが確認されている。基準容量部の電極劣化を抑制する手段として、基準容量部の上部をゲル等により保護することが考えられる。しかしながら、小型化された容量式湿度センサ１００にあっては、隣接する検出部も同時に保護剤で覆われてしまい、検出部の応答性が低下してしまう。また、保護剤塗布のための工程数増大によるコストアップも問題となる。

これに対し、本出願人は、特願２００４−３２５５１８号にて、湿度に応じて誘電率の変化する感湿膜が形成された、容量値の湿度変化に対する傾きが互いに異なる第１センサ素子（検出部）と第２センサ素子（基準容量部）を有し、検出部と基準容量部を、直列接続してなる容量式湿度センサを提案している。これによれば、基準容量部にも感湿膜を設けているため、センサ出力に生じる温度特性（感度の温度特性）を低減することができる。また、感湿膜が基準容量部を構成する電極を保護する役割を果たすため、高温多湿な環境下においても長期に渡って安定して使用することができる。さらには、新たな保護剤も必要ないため、従来の容量式湿度センサにおける応答性の低下の問題や、塗布工程追加によるコストアップの問題も発生しない。

しかしながら、特願２００４−３２５５１８号に示す構成の場合、検出部と基準容量部とで電極の構成が異なる（例えば対向部位の間隔が異なる）。したがって、例えば相対湿度０％ＲＨ−１００％ＲＨでの容量変化量に対して初期容量差が大きくなり、これによるノイズが問題となる恐れがある。なお、初期容量差とは、所定湿度（一般的に相対湿度０％ＲＨ又は相対湿度１００％ＲＨ）における静電容量差である。

本発明は上記問題点に鑑み、高温多湿な環境下においても長期に渡って安定して使用することができ、温度特性とともに初期容量差によるノイズを低減することのできる容量式湿度センサを提供することを目的とする。

上記目的を達成する為に請求項１に記載の発明は、同一の基板に、周囲の湿度変化に応じて容量値が変化する検出部と、当該検出部に対する基準容量部とを備える容量式湿度センサであって、検出部は、湿度に応じて比誘電率が変化する第１感湿膜を有する第１湿度センサ素子を含み、基準容量部は、湿度に応じて比誘電率が変化する第２感湿膜を有し、第１湿度センサ素子と直列接続され、第１湿度センサ素子とは湿度変化に対する容量値変化の傾きが異なる第２湿度センサ素子と、当該第２湿度センサ素子と並列接続され、湿度変化に対して容量値が一定のコンデンサとを含むことを特徴とする。

このように本発明によれば、基準容量部に第２感湿膜を設けている。したがって、感湿膜のもつ温度特性（温度による吸放湿特性の違い）によりセンサ出力に生じる温度特性（感度の温度特性）を低減することが可能である。また、高温多湿な環境下においても長期に渡って安定して使用することができる。なお、第２感湿膜に代わる新たな保護剤が必要ないため、従来の容量式湿度センサにおける応答性の低下の問題や、塗布工程追加によるコストアップの問題も発生しない。

また、本発明によれば、検出部を構成する第１湿度センサ素子と基準容量部を構成する第２湿度センサ素子とで、湿度変化に対する容量値変化の傾きが異なるものの、第２湿度センサ素子に対して、湿度変化に対して容量値が一定のコンデンサを並列接続している。したがって、所定容量のコンデンサを付加することで、従来よりも初期容量差を低減する（できるだけ小さくする（好ましくは０とする））することができる。すなわち、信号処理後のノイズを低減することができる。

具体的には、請求項２に記載のように、第１湿度センサ素子と第２湿度センサ素子が、それぞれ、基板上の同一平面に離間して対向配置された一対の電極を有し、第１感湿膜と第２感湿膜が、対応する一対の電極及び一対の電極間を覆うように、基板上に形成された構成を採用することもできる。このような構成においては、請求項３に記載のように、一対の電極が互いに櫛歯状をなしており、噛み合うように配置された所謂櫛歯構造型の構成とすると良い。この場合、一対の電極間の対向面積を大きくできるので、電極間の静電容量の変化量を大きくすることができる。

同一平面に離間して対向配置された一対の電極を備える構成においては、請求項４に記載のように、一対の電極における櫛歯本数を、第１湿度センサ素子と第２湿度センサ素子とで異なるように構成しても良い。これにより、第１湿度センサ素子と第２湿度センサ素子とで、湿度変化に対する容量値変化の傾きを異なるものとすることが可能である。

また、請求項５に記載のように、一対の電極における対向部分の間隔を、第１湿度センサ素子と第２湿度センサ素子とで異なるものとしても良い。さらには、請求項６に記載のように、一対の電極における対向部分の長さを、第１湿度センサ素子と第２湿度センサ素子とで異なるものとしても良い。これらの構成によっても、請求項５に記載の発明同様、第１湿度センサ素子と第２湿度センサ素子とで、湿度変化に対する容量値変化の傾きを異なるものとすることが可能である。

請求項２〜６いずれか１項に記載の発明においては、請求項７に記載のように、第１感湿膜と第２感湿膜を、同一の材料を用いて構成しても良い。このように、第１感湿膜と第２感湿膜が同一の構成材料からなる場合には、上述したように、一対の電極の構成によって、第１湿度センサ素子と第２湿度センサ素子とで、湿度変化に対する容量値変化の傾きを異なるものとすれば良い。

また、請求項２〜６いずれか１項に記載の発明においては、請求項８に記載のように、第１感湿膜と第２感湿膜を、異なる材料を用いて構成しても良い。このように、第１感湿膜と第２感湿膜が異なる構成材料からなる場合には、請求項９に記載のように、第１湿度センサ素子と第２湿度センサ素子とで、一対の電極の構成が同じ（同一パターン）でも、湿度変化に対する容量値変化の傾きを異なるものとすることができる。なお、異なる構成材料とは、湿度変化に対する比誘電率の変化が互いに異なるものである。また、一対の電極の構成を異なるものとしつつ、第１感湿膜と第２感湿膜とを異なる構成材料を用いることによっても、第１湿度センサ素子と第２湿度センサ素子における、湿度変化に対する容量値変化の傾きを異なるものとすることができる。

請求項２〜９いずれか１項に記載の発明とは異なる構成として、請求項１０に記載のように、第１湿度センサ素子と第２湿度センサ素子が、それぞれ、基板の厚さ方向において、離間して対向配置された一対の電極を有し、第１感湿膜と第２感湿膜が、対応する一対の電極間に挟まれた所謂平行平板型の構成を採用することができる。

このような構成においては、例えば請求項１１に記載のように、一対の電極における対向部分の面積を、第１湿度センサ素子と第２湿度センサ素子とで異なる構成としても良い。このように一対の電極の構成を、第１湿度センサ素子と第２湿度センサ素子とで異なるものとすることで、湿度変化に対する容量値変化の傾きを異なるものとすることが可能である。

請求項１０又は請求項１１に記載の発明においては、請求項１２に記載のように、第１感湿膜と第２感湿膜を、同一の材料を用いて構成しても良い。このように、第１感湿膜と第２感湿膜が同一の構成材料からなる場合には、一対の電極の構成によって、第１湿度センサ素子と第２湿度センサ素子における、湿度変化に対する容量値変化の傾きを異なるものとすれば良い。

また、請求項１０又は請求項１１に記載の発明においては、請求項１３に記載のように、第１感湿膜と第２感湿膜を、異なる材料を用いて構成しても良い。このように、第１感湿膜と第２感湿膜が異なる構成材料からなる場合には、請求項１４に記載のように、一対の電極における対向部分の面積が、第１湿度センサ素子と第２湿度センサ素子とで等しくても、湿度変化に対する容量値変化の傾きを異なるものとすることができる。なお、一対の電極の構成を異なるものとしつつ、第１感湿膜と第２感湿膜とを異なる構成材料を用いることによっても、第１湿度センサ素子と第２湿度センサ素子における、湿度変化に対する容量値変化の傾きを異なるものとすることができる。

基準容量部を構成するコンデンサとしては、例えば請求項１５に記載のように、電子部品として基板に実装される所謂外付けのコンデンサを採用することもできるし、請求項１６に記載のように、基板の表面に形成され、第１湿度センサ素子及び第２湿度センサ素子の少なくとも一方の下部に配置された所謂スタック構造のコンデンサを採用することもできる。所謂スタック構造を採用すると、基板の平面方向における体格を小型化することができる。すなわち、センサの体格を小型化することができる。

なお、請求項１〜１６いずれか１項に記載の発明においては、請求項１７に記載のように、基板の表面に形成され、検出部及び基準容量部の信号を処理する回路部を備えると良い。このように基板に回路部を構成することで、別途回路基板を準備する場合よりも、構成を簡素化することができ、センサの体格を小型化することができる。

以下、本発明の実施形態を図に基づいて説明する。なお、以下の実施形態においては、従来例で示した容量式湿度センサを構成する各要素と同一のものにおいては、同一の符号を付与する。
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る容量式湿度センサの概略構成を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面図である。図２は、検出部と基準容量部における電極構成の違いを説明するための図であり、（ａ）は図１（ａ）のＢ−Ｂ線に沿う断面図、（ｂ）は図１（ａ）のＣ−Ｃ線に沿う断面図である。図３は、検出部と基準容量部の相対湿度と静電容量の関係を示す図である。

図１（ａ），（ｂ）に示す符号１１０は基板としての半導体基板であり、本実施形態においてはシリコンから形成されている。そして、基板１１０の上面に、絶縁膜として酸化シリコン膜１２０が形成されており、一対の検出電極１３１ａ，１３１ｂが、酸化シリコン膜１２０上の同一平面において、離間して対向配置されている。なお、一対の検出電極１３１ａ，１３１ｂが、特許請求の範囲に示す第１湿度センサ素子を構成する一対の電極に相当する。

検出電極１３１ａ，１３１ｂの形状は特に限定されるものではないが、本実施形態においては、図１（ａ）に示すように、それぞれの検出電極１３１ａ，１３１ｂの形状として櫛歯形状を採用している。このように櫛歯形状とすると、検出電極１３１ａ，１３１ｂの配置面積を小さくしつつ、互いに対向する面積を大きくすることができる。これにより、周囲の湿度変化に伴って変化する検出電極１３１ａ，１３１ｂ間の静電容量の変化量が大きくなり、容量式湿度センサ１００の感度が向上する。

検出電極１３１ａ，１３１ｂは、例えばアルミ、銅、金、白金、ｐｏｌｙＳｉ等の配線材料を基板１１０上に蒸着やスパッタリング等の手法によって付着させ、その後、フォトリソグラフィー処理により、櫛歯状パターンにパターニングすることによって形成される。本実施形態において、検出電極１３１ａ，１３１ｂはアルミを用いて形成されている。

また、検出電極１３１ａ，１３１ｂに隣接して、一対の基準電極１３２ａ，１３２ｂが、酸化シリコン膜１２０上の同一平面において、離間して対向配置されている。この基準電極１３２ａ，１３２ｂは、検出電極１３１ａ，１３１ｂと同一の材料を用いて、異なるパターンに形成されている。具体的には、図１（ａ）及び図２（ａ），（ｂ）に示すように、検出電極１３１ａ，１３１ｂと基準電極１３２ａ，１３２ｂとにおいて、電極の配置領域（言い換えれば平面方向における外周部位の寸法）が略等しく設定され、対向部分の長さ（電極長手方向の対向部分の長さ）が等しく（ともにＬ１）、対向部分の間隔が異なる（それぞれＤ１，Ｄ２）ように設定されている。また、電極の本数も、互いに異なるように設定（本実施形態においては、８本と６本）されている。

そして、検出電極１３１ａ，１３１ｂ及び基準電極１３２ａ，１３２ｂを覆うように、基板１１０上に保護膜として窒化シリコン膜１４０が形成される。この窒化シリコン膜１４０は、例えばプラズマＣＶＤ法等により、基板１１０上の各部において同じ厚さをもつように堆積形成される。但し、検出電極１３１ａ，１３１ｂ及び基準電極１３２ａ，１３２ｂに水分に対する耐食性がある場合には、保護膜（窒化シリコン膜１４０）を形成しなくとも良い。なお、図１（ａ）においては、便宜上、窒化シリコン膜１４０を省略している。

窒化シリコン膜１４０の上には、検出電極１３１ａ，１３１ｂ及び電極間を覆うように、例えばポリイミド系ポリマーからなる吸湿性を備えた第１感湿膜１５１が形成されている。また、基準電極１３２ａ，１３２ｂ及び電極間を覆うように、例えばポリイミド系ポリマーからなる吸湿性を備えた第２感湿膜１５２が形成されている。本実施形態においては、第１感湿膜１５１と第２感湿膜１５２が同一の構成材料からなり、感湿膜１５０として一体的に形成されている。感湿膜１５０は、ポリイミド系ポリマーをスピンコート法や印刷法にて塗布後、加熱硬化することにより形成することができる。このように、本実施形態においては、検出電極１３１ａ，１３１ｂと基準電極１３２ａ，１３２ｂ上にそれぞれ感湿膜１５０（１５１，１５２）を形成しているので、感湿膜１５０のもつ温度特性（温度による吸放湿特性の違い）によるセンサ出力の温度特性（感度の温度特性）をキャンセルすることができる。

そして、検出電極１３１ａ，１３１ｂと第１感湿膜１５１（１５０）を含んで第１湿度センサ素子１６１が構成され、当該第１湿度センサ素子１６１によって容量式湿度センサ１００の検出部が構成されている。また、基準電極１３２ａ，１３２ｂと第２感湿膜１５２（１５０）を含んで、第１湿度センサ素子１６１とは湿度変化に対する容量値変化の傾きが異なる第２湿度センサ素子１６２が構成され、当該第２湿度センサ素子１６２を含んで容量式湿度センサ１００の基準容量部が構成されている。

ここで、本実施形態においては、第１湿度センサ素子１６１と第２湿度センサ素子１６２とで、検出電極１３１ａ，１３１ｂ及び基準電極１３２ａ，１３２ｂにおける対向間隔Ｄ１，Ｄ２と櫛歯の本数を異なるものとしている。したがって、第１湿度センサ素子１６１と第２湿度センサ素子１６２の容量値の湿度変化に対する傾きが互いに異なる構成となっている。また、第１湿度センサ素子１６１と第２湿度センサ素子１６２のどちらにも、感湿膜１５０（１５１，１５２）が形成されている。このため、第１湿度センサ素子１６１と第２湿度センサ素子１６２の両方の容量値が、周囲の湿度に応じて変化する。また、第１湿度センサ素子１６１と第２湿度センサ素子１６２の容量値の湿度変化に対する傾きが互いに異なる構成となっており、それぞれ容量値は、相対湿度に対して異なる傾きをもつ直線となる。言い替えれば、第１湿度センサ素子１６１と第２湿度センサ素子１６２に感度差をもたせている。

しかしながら、検出電極１３１ａ，１３１ｂ及び基準電極１３２ａ，１３２ｂの構成を異なるものとすると、傾きだけでなく、初期容量（例えば相対湿度０％においては切片）も異なるものとなる。この初期容量差が大きいと、例えば相対湿度０％ＲＨ−１００％ＲＨでの容量変化量に対して初期容量差が大きくなり、これによるノイズが問題となる恐れがある。なお、初期容量差とは、所定湿度（一般的に相対湿度０％ＲＨ又は相対湿度１００％ＲＨ）における静電容量差である。

そこで本実施形態においては、図１（ａ）に示すように、第２湿度センサ素子１６２を構成する基準電極１３２ａ，１３２ｂに対して、湿度変化に対して容量値が一定のコンデンサ１７０を並列接続している。すなわち、基準容量部を、第２湿度センサ素子１６２とコンデンサ１７０とにより構成している。本実施形態において、コンデンサ１７０は、外付け部品として、はんだ（図示略）を介して基板１１０の表面に実装されている。

なお、コンデンサ１７０の容量は、上述の初期容量差（本実施形態においては相対湿度０％ＲＨにおける検出部と基準容量部の容量差）ができるだけ小さくなるように（好ましくはほぼ０となるように）に設定される。したがって、図３に示すように相対湿度と静電容量との関係において、検出部と基準容量部の初期容量差（図３においては相対湿度０％ＲＨ）を低減することができる。なお、図３において、破線が本実施形態に係る基準容量部の容量変化を示しており、一点鎖線が、コンデンサ１７０を付加する前の基準容量部（第２湿度センサ素子１６２）の容量変化を示している。

また、図１（ａ）に示すように、検出電極１３１ａ，１３１ｂ及び基準電極１３２ａ，１３２ｂは、その端部（外部接続端子としてのパッド）を介して、図示されないＣ−Ｖ変換回路等を含む回路部１８０と電気的に接続されている。回路部１８０は、図１（ｂ）で示すように、ＣＭＯＳトランジスタ１８１等から構成されており、検出部と基準容量における容量変化は、この回路部１８０で信号処理される。なお、図１（ａ）においては、区別するために回路部１８０にハッチングを施している。また、検出回路の詳細については、本出願人が先に出願した特開２００３−２８８２４号公報等に記載されているので、その記載を省略する。

このように本実施形態に係る容量式湿度センサ１００によれば、基準容量部を構成する第２湿度センサ素子１６２に第２感湿膜１５２（１５０）を形成している。したがって、感湿膜のもつ温度特性（温度による吸放湿特性の違い）によりセンサ出力に生じる温度特性（感度の温度特性）を低減することが可能である。特に、本実施形態においては、第１感湿膜１５１と第２感湿膜１５２とを、同一材料を用いて一体的に構成している。したがって、センサ出力に生じる温度特性を効果的に低減することができる。

また、基準電極１３２ａ，１３２ｂ上に第２感湿膜１５２（１５０）を形成しているので、高温多湿な環境下においても長期に渡って安定して使用することができる。なお、第２感湿膜１５２（１５０）に代わる新たな保護剤が必要ないため、従来の容量式湿度センサ１００における応答性の低下の問題や、塗布工程追加によるコストアップの問題も発生しない。

また、検出部を構成する第１湿度センサ素子１６１と基準容量部を構成する第２湿度センサ素子１６２とで、湿度変化に対する容量値変化の傾きが異なるものの、第２湿度センサ素子１６２に対して、湿度変化に対して容量値が一定のコンデンサ１７０を並列接続している。したがって、所定容量のコンデンサ１７０を付加することで、従来よりも初期容量差を低減する（できるだけ小さくする（好ましくは０とする））することができる。すなわち、信号処理後のノイズを低減することができる。

なお、本実施形態においては、検出電極１３１ａ，１３１ｂ及び基準電極１３２ａ，１３２ｂにおける対向間隔Ｄ１，Ｄ２と櫛歯の本数を異なるものとすることで、湿度変化に対する容量値変化の傾きを、第１湿度センサ素子１６１と第２湿度センサ素子１６２とで互いに異なるようにする例を示した。しかしながら、検出電極１３１ａ，１３１ｂ及び基準電極１３２ａ，１３２ｂの構成（パターン）を変えることで、互いに異なるようにする例は上記例に限定されるものではない。例えば、図４（ａ）に示すように、検出電極１３１ａ，１３１ｂ及び基準電極１３２ａ，１３２ｂにおける対向部分の長さＬ２，Ｌ３を異なるものとすることで、湿度変化に対する容量値変化の傾きを、第１湿度センサ素子１６１と第２湿度センサ素子１６２とで互いに異なるようにしても良い。また、図４（ｂ）に示すように、検出電極１３１ａ，１３１ｂ及び基準電極１３２ａ，１３２ｂにおける櫛歯の本数を異なるものとすることで、湿度変化に対する容量値変化の傾きを、第１湿度センサ素子１６１と第２湿度センサ素子１６２とで互いに異なるようにしても良い。また、これらを組み合わせても良い。なお、図４（ａ），（ｂ）は、ともに電極パターンの変形例を示す平面図である。

また、本実施形態においては、基準容量部を構成するコンデンサ１７０として、外付けのコンデンサを採用する例を示した。しかしながら、例えば図５に示すように、基板１１０の表面に形成され、第１湿度センサ素子１６１及び第２湿度センサ素子１６２の少なくとも一方（図５においては、第２湿度センサ素子１６２）の下部に配置された所謂スタック構造のコンデンサ１７０を採用することもできる。このようなスタック構造を採用すると、基板１１０の平面方向における体格を小型化することができる。すなわち、容量式湿度センサ１００の体格を小型化することができる。なお、図５はコンデンサ１７０の変形例を示す概略断面図であり、図中において、符号１７１，１７２は、例えばｐｏｌｙＳｉからなる対向電極、符号１７３は、対向電極１７１，１７２間に介在される絶縁膜（例えば、酸化シリコン膜や窒化シリコン膜からなる）、符号１２１は、ＢＰＳＧ層を示している。

また、本実施形態においては、検出電極１３１ａ，１３１ｂ及び基準電極１３２ａ，１３２ｂの電極構造として、櫛歯構造を採用する例を示した。しかしながら、電極構造としては、櫛歯構造に限定されるものではない。一対の電極が、基板１１０上の同一平面に離間して対向配置された構成であれば採用が可能である。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態を、図６に基づいて説明する。図６は、本発明の第２実施形態に係る容量式湿度センサ１００の概略構成を示す平面図である。なお、図６においては、図１（ａ）同様、窒化シリコン膜１４０を省略している。

第２実施形態に係る容量式湿度センサ１００は、第１実施形態に示した容量式湿度センサ１００と共通するところが多いので、以下、共通部分については詳しい説明は省略し、異なる部分を重点的に説明する。

第１実施形態においては、検出電極１３１ａ，１３１ｂ及び基準電極１３２ａ，１３２ｂの構成（パターン）を変えることで、湿度変化に対する容量値変化の傾きを、第１湿度センサ素子１６１と第２湿度センサ素子１６２とで互いに異なるようにする例を示した。
これに対し、本実施形態においては、第１感湿膜１５１と第２感湿膜１５２を、異なる材料を用いて構成することで、湿度変化に対する容量値変化の傾きを、第１湿度センサ素子１６１と第２湿度センサ素子１６２とで互いに異なるようにする点を特徴とする。

図６に示すように、第１湿度センサ素子１６１と第２湿度センサ素子１６２とにおいて、検出電極１３１ａ，１３１ｂと基準電極１３２ａ，１３２ｂの構成（対向間隔Ｄ５、対向部分の長さＬ５、櫛歯本数８本）が同一に設定されている。そして、それぞれの感湿膜１５１，１５２が、異なる材料を用いて形成されている。ここで、異なる構成材料とは、湿度変化に対する比誘電率の変化が互いに異なるものである。すなわち、湿度変化に対する容量値変化の傾きを、第１湿度センサ素子１６１と第２湿度センサ素子１６２とで互いに異なるようにできる材料である。例えば、同じポリイミド系材料であっても、湿度変化に対する比誘電率の変化が互いに異なるものであれば第１感湿膜１５１及び第２感湿膜１５２として採用することができる。なお、本実施形態においては、第１感湿膜１５１としてポリイミド、第２感湿膜１５１としてポリアミドイミドを採用している。

このように本実施形態に係る容量式湿度センサ１００によれば、基準容量部を構成する第２湿度センサ素子１６２に第２感湿膜１５２を形成している。したがって、感湿膜のもつ温度特性（温度による吸放湿特性の違い）によりセンサ出力に生じる温度特性（感度の温度特性）を低減することが可能である。

また、基準電極１３２ａ，１３２ｂ上に第２感湿膜１５２を形成しているので、高温多湿な環境下においても長期に渡って安定して使用することができる。なお、第２感湿膜１５２に代わる新たな保護剤が必要ないため、従来の容量式湿度センサ１００における応答性の低下の問題や、塗布工程追加によるコストアップの問題も発生しない。

また、検出部を構成する第１湿度センサ素子１６１と基準容量部を構成する第２湿度センサ素子１６２とで、湿度変化に対する容量値変化の傾きが異なるものの、第２湿度センサ素子１６２に対して、湿度変化に対して容量値が一定のコンデンサ１７０を並列接続している。したがって、所定容量のコンデンサ１７０を付加することで、従来よりも初期容量差を低減する（できるだけ小さくする（好ましくは０とする））することができる。すなわち、信号処理後のノイズを低減することができる。

なお、本実施形態においては、検出電極１３１ａ，１３１ｂと基準電極１３２ａ，１３２ｂの構成を同一に設定する例を示した。しかしながら、第１実施形態に示したように、検出電極１３１ａ，１３１ｂと基準電極１３２ａ，１３２ｂの構成を異なるものとし、第１感湿膜１５１と第２感湿膜１５２とを異なる材料を用いて構成することによっても、第１湿度センサ素子１６１と第２湿度センサ素子１６２における、湿度変化に対する容量値変化の傾きを異なるものとすることができる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態を、図７に基づいて説明する。図７は、本発明の第３実施形態に係る容量式湿度センサ１００の概略構成を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＤ−Ｄ線に沿う断面図である。なお、図７（ａ）においては、図１（ａ）同様、窒化シリコン膜１４０を省略している。

第３実施形態に係る容量式湿度センサ１００は、第１及び第２実施形態に示した容量式湿度センサ１００と共通するところが多いので、以下、共通部分については詳しい説明は省略し、異なる部分を重点的に説明する。

第１及び第２実施形態においては、検出電極１３１ａ，１３１ｂ（基準電極１３２ａ，１３２ｂ）の電極構造として、基板１１０の同一平面において、対をなす一対の電極１３１ａ，１３１ｂ（１３２ａ，１３２ｂ）が離間して対向配置される例を示した。これに対し、本実施形態においては、基板の厚さ方向において、対をなす電極が離間して対向配置され、第１感湿膜１５１（第２感湿膜１５２）が、対応する一対の電極１３１ａ，１３１ｂ（１３２ａ，１３２ｂ）間に挟まれた所謂平行平板型の構成を採用する点を特徴とする。

図７（ａ），（ｂ）に示すように、第１湿度センサ素子１６１を構成する検出電極１３１ａ，１３１ｂのうち、一方の下部電極１３１ａが酸化シリコン膜１２０を介して、基板１１０上に形成されている。そして、下部電極１３１ａ上に、窒化シリコン膜１４０と第１感湿膜１５１を介してもう一方の上部電極１３１ｂが積層配置されている。また、第２湿度センサ素子１６２を構成する基準電極１３２ａ，１３２ｂのうち、一方の下部電極１３２ａが酸化シリコン膜１２０を介して、基板１１０上に形成されている。そして、下部電極１３２ａ上に、窒化シリコン膜１４０と第２感湿膜１５２を介してもう一方の上部電極１３２ｂが積層配置されている。なお、それぞれの上部電極１３１ｂ，１３２ｂは、耐湿性の高い金属を材料として構成されている。

また、図７（ａ）に示すように、検出電極１３１ａ，１３１ｂにおける対向面積が、基準電極１３２ａ，１３２ｂにおける対向面積よりも小さく設定されている。そして、基準電極１３２ａ，１３２ｂに対して、所定容量のコンデンサ１７０が並列接続されている。

このように本実施形態に係る容量式湿度センサ１００によれば、基準容量部を構成する第２湿度センサ素子１６２に第２感湿膜１５２（１５０）を形成している。したがって、感湿膜のもつ温度特性（温度による吸放湿特性の違い）によりセンサ出力に生じる温度特性（感度の温度特性）を低減することが可能である。

また、基準電極１３２ａ，１３２ｂを構成する下部電極１３２ａ上に第２感湿膜１５２を形成しているので、高温多湿な環境下においても長期に渡って安定して使用することができる。なお、第２感湿膜１５２に代わる新たな保護剤が必要ないため、従来の容量式湿度センサ１００における応答性の低下の問題や、塗布工程追加によるコストアップの問題も発生しない。

また、検出部を構成する第１湿度センサ素子１６１と基準容量部を構成する第２湿度センサ素子１６２とで、湿度変化に対する容量値変化の傾きが異なるものの、第２湿度センサ素子１６２に対して、湿度変化に対して容量値が一定のコンデンサ１７０を並列接続している。したがって、所定容量のコンデンサ１７０を付加することで、従来よりも初期容量差を低減する（できるだけ小さくする（好ましくは０とする））することができる。すなわち、信号処理後のノイズを低減することができる。

尚、本実施形態に示すように、平行平板型の容量式湿度センサ１００においても、第２実施形態に示したように、第１感湿膜１５１と第２感湿膜１５２とを異なる材料を用いて構成することで、第１湿度センサ素子１６１と第２湿度センサ素子１６２における、湿度変化に対する容量値変化の傾きを異なるものとすることができる。その場合、検出電極１３１ａ，１３１ｂと基準電極１３２ａ，１３２ｂの対向面積を等しくしても良いし、上述したように、検出電極１３１ａ，１３１ｂと基準電極１３２ａ，１３２ｂの対向面積を異なるものとしても良い。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態になんら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。

本実施形態においては、検出部及び基準容量部とともに、回路部１８０を基板１１０に集積化する例を示した。このように基板１１０に回路部１８０を構成することで、別途回路基板を準備する場合よりも、構成を簡素化することができ、容量式湿度センサ１００の体格を小型化することができる。しかしながら、回路部１８０が回路基板として別途構成を採用することもできる。

本実施形態においては、基板１１０としてシリコンからなる半導体基板を採用する例を示した。このように半導体基板を用いると、一般的な半導体製造技術により、低コストで製造することができる。また回路部１８０を含めて１チップに集積化することができる。しかしながら、それ以外（例えばガラス等）の材料からなる基板を採用することもできる。

第１実施形態に係る容量式湿度センサの概略構成を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面図である。 検出部と基準容量部における電極構成の違いを説明するための図であり、（ａ）は図１（ａ）のＢ−Ｂ線に沿う断面図、（ｂ）は図１（ａ）のＣ−Ｃ線に沿う断面図である。 検出部と基準容量部の相対湿度と静電容量の関係を示す図である。 （ａ），（ｂ）ともに、電極パターンの変形例を示す平面図である。 コンデンサの変形例を示す概略断面図である。 第２実施形態に係る容量式湿度センサの概略構成を示す平面図である。 第３実施形態に係る容量式湿度センサの概略構成を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＤ−Ｄ線に沿う断面図である。 従来の容量式湿度センサの概略構成を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は検出部と基準容量部の相対湿度と静電容量の関係を示す図である。

符号の説明

１００・・・容量式湿度センサ
１１０・・・基板
１３１ａ，１３１ｂ・・・検出電極（一対の電極）
１３２ａ，１３２ｂ・・・基準電極（一対の電極）
１５０・・・感湿膜
１５１・・・第１感湿膜
１５２・・・第２感湿膜
１６１・・・第１湿度センサ素子
１６２・・・第２湿度センサ素子
１７０・・・コンデンサ
１８０・・・回路部

Claims (17)

1. 同一の基板に、周囲の湿度変化に応じて容量値が変化する検出部と、当該検出部に対する基準容量部とを備える容量式湿度センサであって、
   前記検出部は、湿度に応じて比誘電率が変化する第１感湿膜を有する第１湿度センサ素子を含み、
   前記基準容量部は、湿度に応じて比誘電率が変化する第２感湿膜を有し、前記第１湿度センサ素子と直列接続され、前記第１湿度センサ素子とは湿度変化に対する容量値変化の傾きが異なる第２湿度センサ素子と、当該第２湿度センサ素子と並列接続され、湿度変化に対して容量値が一定のコンデンサとを含むことを特徴とする容量式湿度センサ。
2. 前記第１湿度センサ素子と前記第２湿度センサ素子は、それぞれ、前記基板上の同一平面に離間して対向配置された一対の電極を有し、
   前記第１感湿膜と前記第２感湿膜は、対応する前記一対の電極及び前記一対の電極間を覆うように、前記基板上に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の容量式湿度センサ。
3. 前記一対の電極は互いに櫛歯状をなしており、噛み合うように配置されていることを特徴とする請求項２に記載の容量式湿度センサ。
4. 前記一対の電極における櫛歯本数は、前記第１湿度センサ素子と前記第２湿度センサ素子とで異なることを特徴とする請求項３に記載の容量式湿度センサ。
5. 前記一対の電極における対向部分の間隔は、前記第１湿度センサ素子と前記第２湿度センサ素子とで異なることを特徴とする請求項２〜４いずれか１項に記載の容量式湿度センサ。
6. 前記一対の電極における対向部分の長さは、前記第１湿度センサ素子と前記第２湿度センサ素子とで異なることを特徴とする請求項２〜５いずれか１項に記載の容量式湿度センサ。
7. 前記第１感湿膜と前記第２感湿膜は、同一の構成材料からなることを特徴とする請求項２〜６いずれか１項に記載の容量式湿度センサ。
8. 前記第１感湿膜と前記第２感湿膜は、異なる構成材料からなることを特徴とする請求項２〜６いずれか１項に記載の容量式湿度センサ。
9. 前記一対の電極は、前記第１湿度センサ素子と前記第２湿度センサ素子とで同一パターンに形成されていることを特徴とする請求項８に記載の容量式湿度センサ。
10. 前記第１湿度センサ素子と前記第２湿度センサ素子は、それぞれ、前記基板の厚さ方向において、離間して対向配置された一対の電極を有し、
    前記第１感湿膜と前記第２感湿膜は、対応する前記一対の電極間に挟まれていることを特徴とする請求項１に記載の容量式湿度センサ。
11. 前記一対の電極における対向部分の面積は、前記第１湿度センサ素子と前記第２湿度センサ素子とで異なることを特徴とする請求項１０に記載の容量式湿度センサ。
12. 前記第１感湿膜と前記第２感湿膜は、同一の構成材料からなることを特徴とする請求項１０又は請求項１１に記載の容量式湿度センサ。
13. 前記第１感湿膜と前記第２感湿膜は、異なる構成材料からなることを特徴とする請求項１０又は請求項１１に記載の容量式湿度センサ。
14. 前記一対の電極における対向部分の面積は、前記第１湿度センサ素子と前記第２湿度センサ素子とで等しいことを特徴とする請求項１３に記載の容量式湿度センサ。
15. 前記コンデンサは、電子部品として前記基板に実装されていることを特徴とする請求項１〜１４いずれか１項に記載の容量式湿度センサ。
16. 前記コンデンサは、前記基板の表面に形成され、前記第１湿度センサ素子及び前記第２湿度センサ素子の少なくとも一方の下部に配置されていることを特徴とする請求項１〜１４いずれか１項に記載の容量式湿度センサ。
17. 前記基板の表面に形成され、前記検出部及び前記基準容量部の信号を処理する回路部を備えることを特徴とする請求項１〜１６いずれか１項に記載の容量式湿度センサ。

Images